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牛顿内摩擦定律

 形貌 2023-08-11 发布于北京

实际流体在流动时,通常流体各处的流速并不相等,从而表现出不同流体层之间的相对滑动。这将导致相邻两流体层中速度块的层拖动速度慢的层加速,而速度慢的层则阻碍速度快的层的运动。这种拖动力和阻力是一对相互作用,叫做内摩擦力或黏滞力,它是流体黏性的体现。

流体速度梯度与剪应力示意图(图片来自Wikipedia)

牛顿指出流层单位面积上的内摩擦力(剪应力)跟速度梯度成正比,即

其中τ为剪应力,u为速度,y为流层相对于参考点的距离,比例系数μ动力黏性系数,也称为粘度。

不同粘度流体流动的模拟,右边流体的粘度比左边高(图片来自Wikipedia)


很多小分子物质的流体都能很好地满足牛顿内摩擦定律,但也有不少例外,例如悬浮液、高分子溶液、高分子熔体都不满足。满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。牛顿内摩擦定律是牛顿流体本构方程的基础,而本构方程则是实际流体的基本方程之一。理想流体(理想流体的欧拉方程理想流体的基本方程组)的粘度为零,因此不同流层间不存在剪应力,这使问题得到很大程度的简化。

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